基于無人機(jī)的室外全景漫游地圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

使用虛擬環(huán)境逼真地呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱門研究領(lǐng)域 [1]。21 世紀(jì)以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迅猛發(fā)展，其誕生與發(fā)展把地圖設(shè)計(jì)推入了新的發(fā)展階段，為廣大用戶提供了更直接的途徑和更準(zhǔn)確的地理位置 [2]。此外，3D 虛擬漫游作為攝影的一種衍生技術(shù)，可方便用戶在 PC 機(jī)上進(jìn)行水平 360°與垂直 360°瀏覽，可任意調(diào)整視覺距離，彌補(bǔ)了平面效果圖不能帶來全方位感受的缺陷。另外，3D 虛擬漫游憑借其真實(shí)感強(qiáng)、畫面高清、播放流暢等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事、旅游等多個(gè)領(lǐng)域。

1 全景影像拍攝

全景拍攝使用一臺(tái)具有 1200 萬像素超高清機(jī)載相機(jī)的智能旋翼無人機(jī)。航拍之前，需要對(duì)飛行器進(jìn)行初始調(diào)試， 準(zhǔn)確判斷起飛條件，確定飛行地點(diǎn)。相機(jī)的參數(shù)調(diào)整包括ISO感光度、場景模式、曝光量、照片格式和白平衡條件等 [3]。首先將拍攝模式調(diào)整到手動(dòng)擋 ；拍攝時(shí)要將 EV值盡量調(diào)到0 ；ISO感光度越大，噪點(diǎn)越大，因此其值在 100～200間較合適 ；白平衡選擇自定義，控制在 5 600 ～6 000 k 范圍內(nèi)， 選擇延時(shí)拍攝。進(jìn)行幾次先行試拍，直到調(diào)整到合適的拍攝參數(shù)后鎖定參數(shù)，保證在整個(gè)拍攝過程中參數(shù)不會(huì)改變?？紤]到空曠地帶會(huì)削弱多徑效應(yīng)的干擾與影像數(shù)據(jù)應(yīng)具有較好的空間距離感的要求，飛行地點(diǎn)選定在清晨空曠的農(nóng)田上方約 100m的高度。在空中將無人機(jī)懸停在事先預(yù)定好的位置后開始拍攝。在整個(gè)拍攝過程中總共需要將無人機(jī)的相機(jī)旋轉(zhuǎn)5圈。第一圈拍攝時(shí)將云臺(tái)向上仰20°，旋轉(zhuǎn)無人機(jī)的鏡頭，每轉(zhuǎn)動(dòng) 45°拍攝一次，共拍攝 8 張照片。第一圈完成后轉(zhuǎn)回到拍攝起初位置，開始拍攝第二圈，拍攝過程中保證相機(jī)視線方向與重心方向垂直，每轉(zhuǎn)動(dòng) 45°拍攝一次，拍攝照片數(shù)為 8張。第三圈需將鏡頭角度向下旋轉(zhuǎn) 45°，每轉(zhuǎn)動(dòng) 45°拍攝一次，拍攝照片數(shù)為 8張。第四圈再調(diào)整為豎直向下，正對(duì)地面拍攝 2張。由于受到無人機(jī)的限制，鏡頭無法豎直向上對(duì)無人機(jī)上方的天空進(jìn)行拍攝，可在地面拍攝 2 張?zhí)炜沼跋穹奖愫笃谛扪a(bǔ)。

2 影像預(yù)處理

由于感光原件或攝影成像系統(tǒng)自身具有成像誤差的特性，以及考慮到攝影環(huán)境中存在諸多影響成像的因素，初始影像存在過度曝光或者曝光量不足、噪點(diǎn)較多等缺陷，基本不能高度還原現(xiàn)場情景，所以在本次拍攝過程中，明暗調(diào)節(jié)尤為重要 [4]。為了使采集到的影像盡可能接近現(xiàn)實(shí)，更符合人眼觀賞的需求，需要預(yù)處理操作 ：

(1) 把初始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理，安放在同一個(gè)新建文件夾中，打開 Photoshop軟件調(diào)節(jié)影像亮度、飽和度、對(duì)比度等參數(shù)，對(duì)高光和陰影部分著重細(xì)化豐富信息。

(2) 通過橡皮圖章、修補(bǔ)工具等適當(dāng)調(diào)整以便影像合成時(shí)精準(zhǔn)定位。

3 基于 PTGui的全景影像拼接

借助全景制作工具 PTGui完成對(duì)圖像的拼接，創(chuàng)造出高質(zhì)量的全景圖像。通過加載對(duì)準(zhǔn)并調(diào)整圖像，配準(zhǔn)其鏡頭參數(shù)，可自動(dòng)拼接融合出較為理想的全景圖 [5]。同時(shí) PTGui具有多種視圖和映射方式，選擇合適的映射方式優(yōu)化圖像，拼接后的全景圖的影像長寬比保證在 2左右，并根據(jù)實(shí)際需要選擇性地修改或添加控制點(diǎn)，進(jìn)一步提高拼接精度。使用PTGui拼接圖像后，明暗度均勻，基本上不會(huì)顯示顯著的拼接痕跡。拼接處理后的全景圖如圖 1 所示。

                                                                                                                                                                                             圖 1 PTGui 拼接處理后的全景圖

4 全景圖修補(bǔ)

由于存在拍攝視角黑洞，PTGui 生成的矩形全景圖天空部分是空白的，需要后期進(jìn)行必要的填補(bǔ)工作。再次借助Photoshop 軟件的修補(bǔ)工具，首先復(fù)制天空素材，粘貼到航拍圖的圖層，調(diào)整航拍圖和天空素材圖的圖片屬性為相同大小，此時(shí)源區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域的紋理、明暗等做自動(dòng)匹配處理[6]。下一步的關(guān)鍵是圖層蒙版的使用，使用漸變工具對(duì)天空素材圖像的圖層蒙板進(jìn)行填充處理，具體實(shí)施步驟為在兩幅圖的疊加位置拉一條豎線，直至畫面過渡效果理想為止。漸變填充時(shí)角度要始終保持在 90°，最后得到的全景圖才不會(huì)有拼縫。還可借助 Photoshop 的裁剪功能消除鏡頭畸變等，最終填充、調(diào)色等修補(bǔ)工作完成后的效果如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                                           圖 2 Photoshop 修補(bǔ)前后的天空?qǐng)D對(duì)比

5 全景漫游地圖的發(fā)布

5.1  基于 Pano2VR 的影像發(fā)布

實(shí) 驗(yàn) 取 景 時(shí) 盡 量 使 用 高 像 素 相 機(jī)， 在 PTGui 和Pano2VR，720 云平臺(tái)中專業(yè)操作實(shí)現(xiàn)全景圖時(shí)，高清圖像可以降低還原難度并減少 Photoshop 的修補(bǔ)處理工作，最后達(dá)到快速加載的目的。以 Pano2VR 作為生成全景圖的方式， 操作比較簡單。打開 Pano2VR 軟件，界面中出現(xiàn)“將圖片拖至此處”提示，可把修補(bǔ)后的全景圖直接拖進(jìn)來，或在“選擇輸入”的選項(xiàng)卡中找到全景圖的保存路徑，打開即可。圖片正常顯示后，設(shè)置輸出文件的位置，文件的后綴名是 *.SWF 格式。然后進(jìn)入設(shè)置參數(shù)面板選項(xiàng)卡，設(shè)置圖像質(zhì)量值為100，滑動(dòng)橫向游標(biāo)選擇圖片質(zhì)量為高質(zhì)量，并設(shè)置窗口尺寸為 4 000×2 000 px，點(diǎn)擊選項(xiàng)卡中的“開啟自動(dòng)旋轉(zhuǎn)”“加載完畢后開始旋轉(zhuǎn)”“窗口被激活時(shí)旋轉(zhuǎn)”選項(xiàng)，提供給用戶各種操作影像的功能。保存之后，播放 360°全景效果圖。

5.2 基于 720 云平臺(tái)的影像發(fā)布

全景漫游可通過實(shí)地取景后對(duì)照片進(jìn)行一系列技術(shù)處理得到理想結(jié)果，結(jié)合其本身的三維特點(diǎn)，最后還原的效果圖逼真性較高。通過以往的攝影方式獲得的聽覺、觸覺等感官信息較弱，而 720 云平臺(tái)制作的全景圖易操作，鼠標(biāo)所在位置定位在人眼位置，通過拖動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)視角轉(zhuǎn)移，消除了視覺盲點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合背景音樂、音頻講解等操作補(bǔ)充用戶的聽覺感受，使其更好地掌握影像信息。全景漫游便于操作者按照自己的意向選擇角度進(jìn)行個(gè)性化操作控制，逐步衍生出人機(jī)深度交互 [6]。登錄 720 云平臺(tái)，上傳修補(bǔ)后的影像數(shù)據(jù)， 即可生成全景漫游效果，上傳作品時(shí)可點(diǎn)擊編輯按鈕進(jìn)行詳細(xì)內(nèi)容的編輯，輸入作品相關(guān)信息。相關(guān)拓展功能根據(jù)實(shí)際需要添加設(shè)計(jì)，如設(shè)置背景音樂、添加熱點(diǎn)、絢麗效果等。本文在農(nóng)田上設(shè)置較多熱點(diǎn)，點(diǎn)擊熱點(diǎn)即可查看此塊農(nóng)田的相關(guān)信息。對(duì)于不同的農(nóng)田設(shè)置不同的熱點(diǎn)，也可使瀏覽者了解土地作物的情況，無需每個(gè)功能都進(jìn)行設(shè)置才能上傳。最后點(diǎn)擊保存分享到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享。在網(wǎng)站上共享的全景漫游圖如圖 3 所示。

                                                                                                                                                                                              圖 3 720 云平臺(tái)生成的全景漫游圖

5.3 Pano2VR與 720 云平臺(tái)生成全景圖的效果對(duì)比分析

Pano2VR 是一種專業(yè)的全景制作軟件，具有諸多拓展功能，使用該軟件，用戶可將三維全景圖與文字、視頻等各種多媒體元素相結(jié)合，以及通過添加場景間熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多個(gè)場景的虛擬漫游交互展示效果，用戶能夠根據(jù)自己的意愿制作出理想的全景圖，各種參數(shù)的設(shè)定也較為詳細(xì)。例如，對(duì)于輸出格式，Pano2VR 支持FLASH，HTML 等多種格式。相比而言， 720 云平臺(tái)具有較簡便的可視化界面，也更易編輯，難度系數(shù)小，實(shí)際應(yīng)用高效便捷，通過簡單學(xué)習(xí)即可快速制作出一個(gè)內(nèi)容詳細(xì)、畫面美觀的全景圖。此外，720 云平臺(tái)服務(wù)用戶的綜合性較高，開發(fā)周期相比 Pano2VR 更短，支持佩戴VR 眼鏡體驗(yàn)全景影像的漫游效果。

6 結(jié) 語

720 全景漫游地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程通過無人機(jī)獲取低空遙感圖像，結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)影像優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)位置點(diǎn)實(shí)景展示，將客觀真實(shí)存在的場景通過瀏覽器達(dá)到異地虛擬效果，使用戶足不出戶便可游歷景物景點(diǎn)和建筑物內(nèi)部場景。本文結(jié)合江蘇鹽城某地區(qū)的圖像，介紹了全景圖制作發(fā)布過程中的相關(guān)軟件以及制作方法，對(duì)比了不同方法效果的差異。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，全景漫游在虛擬農(nóng)業(yè)、虛擬旅游、地圖導(dǎo)航等方面一定會(huì)得到進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將進(jìn)一步體現(xiàn)出其推廣應(yīng)用價(jià)值。